基于CompactRIO的家居监控机器人 - 全文

选用NI CompactRIO作为机器人的“小脑”。NI CompactRIO是美国NI公司的工业级嵌入式控制器，集成以太网接口和RS232串行接口，具有体积小，高可靠性，高性能，低功耗等优点。

将各种设备的控制算法例如机械臂运动控制，头部运动控制，导航算法，基于以太网的光雷达数据采集，与大脑通讯等程序部署在RT中；将数字信号采集，例如限位开关和紧急停止逻辑还有编码器数据采集和处理，地盘运动伺服控制等算法部署在FPGA中。

选用工业嵌入式触摸平板电脑IPC作为机器人的“大脑”。部署WinCE，具有人机界面功能以及触摸屏交互功能，部署控制人脸识别模块以及语音识别算法，智能家居监控管理算法等。

用FSM来封装每个设备对象：

Finite-state machine (FSM)称为有限状态机广泛用于数字电路和计算机程序。我们使用了两种状态机来封装设备。String Based Queued State Machine基于字符串队列状态机和普通基于枚举的状态机。使用状态机作为一种机制来处理单个设备的状态转换，或者说，用状态机这种行为模型来用于单个设备的事件处理。

图 2 LIDAR 状态机

例如光雷达的状态机框图，它具有4个状态，Idle，Start，Running，Stop。在Running状态中，程序不断向光雷达发送指令读取数据，然后由一个Shared Variable来传出数据。使用一个LIRAR.vi来封装这个状态机。

图 3 Remote Control Reaction 状态机

图 3 Remote Control Reac tion 状态机

图3是一个远程控制指令解析状态机，它使用String Based Queued State Machine来实现。这样的好处是，可以使用队列来组织动作，较为灵活地实现各种不同组合以及复杂度。

每一个设备的状态机都用一个独立的vi来封装，并且单独进行测试，这样也有利于工程化。

多状态机的协作：

单个状态机只能完成部分功能，我们需要把所有设备状态机集成起来，按照一定的通讯机制拼装成一个完整的机器人。

由于所有的设备状态机都由一个VI来封装，只需要把他们拖入一个主vi中，就能调用他们。如图所示：

图 4状态机集成

状态机之间是通过Shared Variable来实现接受外部指令输入以及自身状态输出的。同样，这些Shared Variable都用一个VI进行封装以便进行管理。

这样，一个状态机便可视为一个子系统。既然是系统，自然有系统的输入和输出，通过get，set等方法的vi，外部系统便可对这些子系统进行操作或者交互。如图所示，底盘状态机使用getCommand.vi方法获取外部命令。

图 5 getCommand.vi

使用setCommand.vi方法让外部系统传输命令给地盘状态机。

图6 MobileBase.lvlib:setCommand.vi

底盘使用sendState.vi发送底盘状态机状态信息。如图所示：

图 7 MobileBase.lvlib.sendState.vi

使用getState.vi方法获取地盘状态机信息。

图 8 getState.vi

导航算法：

图 9家居监控机器人定位导航软件控制框图

总体设计

针对移动机器人家居环境下的定位问题，提出了一种结合平直线段匹配、角匹配和里程计的组合定位方法。该系统采用了Labview开发平台和CompactRIO控制器，得到了很好的实时性效果。机器人首先通过二维激光测距仪通过TCP/IP得到环境点信息，然后通过迭代适应点（IEPF）算法得到环境线段及最小二乘法得到线段参数。在基于线段基础上，得到局部的平直线段和角特征，再与已知平直线段和角特征做匹配，通过平直线段和角匹配算法实时更新机器人位置和姿态。分析里程计定位、平直线段匹配定位和角匹配定位的误差，分配不同的权重得到优化的组合定位算法。

软件控制框图

基于以上的设计，定位导航的软件控制模块设计如图7所示。中心模块为定位导航模块，该模块读取起点、目标点、运动模式数据及编码器数据，同时读取激光测距仪数据提取角、平直线段特征和已知特征做匹配，其匹配算法输出机器人位姿。对于给定的目标位姿，该模块将计算出驱动指令（Forward Speed、Delta angle、Turnspd Right、Turnspd Left对应前进速度、方向转角、左转、右转）和状态信息如（bPos, bAngle）来判断机器人是否到达目标位置和姿态。

图 10家居监控机器人定位导航的输入输出信息部分